탁상위의 가속기, 레이저 플라즈마 가속기

* 한국원자력연구원 양자빔기반 방사선 연구센터

때문인 것 같다. 대부분의 사람들은 가속기라고 하면 매 우 큰 장치라고 알고 있고, 실제 이런 분야를 ‘거대과학’

이라고도 한다. 그렇다면 왜 높은 에너지의 가속기들은 그렇게 거대할까? 전하를 띤 입자를 가속하기 위해서는 전기장이 필요하다. 현재, 가장 효과적으로 입자를 가속 하는 방법은 고주파 (Radio Frequency, RF) 가속이다.

전기 전도율이 높은 물질로 만들어진 가속공동 속에 고 출력의 고주파 전자기장을 인가해서 전자를 가속하는 방 법이다. 고주파의 출력이 높아지면, 가속공동에서 더 강

력한 전기장이 형성될 수 있으므로 더 빨리 입자를 높은 에너지로 가속할 수 있다. 하지만 안타깝게도 진공의 가 속공동에서 유지될 수 있는 전기장의 세기는 약 100 MV/m가 한계이다. 이 보다 더 높아지면 가속공동 내부 에서 방전이 일어나기 때문에 전기장이 유지될 수 없다.

고주파 가속기의 경우 최대 전기장을 이용해도 전자빔이 1 GeV의 에너지를 얻기 위해서는 최소한 10 m의 길이의 가속관이 필요하다. 실제로 안정적인 가속이 가능한 적 정 가속 전기장은 이보다 많이 낮으며, 가속 길이가 길어

전된 상태를 이용하는 것이었다. 플라즈마는 전자가 이 온에서 분리된, 하지만 전체적으로는 전기적으로 중성 인, 고에너지의 기체 상태라 할 수 있다. 엄청나게 많은 전하를 품고 있는 플라즈마 내부에서 전자와 이온이 공 간적으로 분리되면, 고주파 가속공동보다 훨씬 강력한 전기장을 만들 수 있다. 플라즈마는 이미 방전된 상태여 서 최소한 방전에 대한 한계는 없다.

그렇다면 어떻게 플라즈마 내부에서 전자와 이온을 공 간적으로 분리할 수 있을까? 강력한 세기의 레이저빔이

플라즈마에 집속되면, 질량이 가벼운 전자들이 레이저의 전자기장과 상호작용을 한다. 이온들은 제자리에 가만히 있는 반면에 가벼운 전자는 공간적인 분포가 바뀌게 된 다. 전기적으로 중성인 상태에서 전하분포가 공간적으로 불균일한 상태가 되면서 강력한 전기장이 만들어진다.

이 때 발생할 수 있는 전기장은 약 100 GV/m ~ 100 TV/m로 현재 가속기에 사용하는 전기장 세기의 천 배에 서 백만 배에 달한다. 대략적으로 가속관의 크기도 그 정 도의 비율로 줄일 수 있다. 이 정도의 플라즈마 공간전하

특집 ■ World Class Institute(WCI)-

한국원자력연구원 양자빔기반 방사선 연구센터

탁상위의 가속기, 레이저 플라즈마 가속기

박성희, 이기태*

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분포 변화를 만들려면, 레이저의 첨두 출력이 매우 높아 야 한다. 대략, 1 TW (10¹² W) 이상은 필요하다.

1 TW 이상의 출력은 이전에는 주로 거대한 레이저에 의해서만 가능하였다. 펄스폭은 1 ns에, 에너지는 1 kJ 정도 되는 레이저가 필요하였다. Mourou 박사는 1985 년에 Chirped Pulse Amplification (CAP) [3] 이라고 하 는 놀라운 레이저 기술을 발표하였다. 이 기술로 레이저 의 펄스폭을 수 십 펨토초로 줄임으로써 에너지가 수 십 mJ에 불과해도 같은 출력을 낼 수 있게 되었다. 이 기술 은 빌딩크기의 거대하고 에너지가 수 십 kJ에 달하는 레 이저로 얻었던 출력을 실험실 규모의 작은 레이저로 구 현하는 것을 가능하게 하였다. 규모가 작다는 것은 비용 이 적게 든다는 것을 의미하므로 이전에는 규모가 큰, 고 가의 레이저로만 가능한 연구들이 이후에는 보통의 많은 실험실에서도 가능해진 것이다. 이 때부터 레이저 플라 즈마 가속 연구가 본격적으로 진행되기 시작하여 지금까 지 전자빔의 에너지는 1 GeV를 넘었으며, 양성자빔은

40 MeV에 근접하고 있다.

국내에서는 2000년 초반부터 한국원자력 연구원, 한국전기연구원, 광주과기원 등에 서 관련 연구를 본격적으로 수행하기 시작 하여, 페타와트 레이저 구축, 1 GeV 전자빔 발생, 새로운 가속 기술 개발, 입자빔 계측 기술 개발 등 상당한 성과를 올리고 있다.

본 센터에서는 원자력분야 첨단 방사선기술 연구개발 사업의 일환으로 레이저 가속 연 구를 수행하기 시작하였다. 구축된 장치로 는 자체 개발한 30 TW Ti:Sapphire 레이저 를 (그림 1) 비롯하여 전자빔 가속 장치, 양성자/이온빔 가속 장치, X-선 발생 장치 등이 있다 (그림 2). 전자빔 연구에서는 단순히 전자빔을 발생하는 데 그치지 않고, storage ring의 입사빔, 고출력 THz 파 발생 등에 활용 하는 연구도 함께 진행 중이다. 양성자를 포함한 이온빔 가속연구는 궁극적으로 암치료 장치에 적용하는 것을 목 표로 하고 있다. 현재는 비교적 출력이 작은 레이저를 사 용하여 고에너지의 이온빔 발생 원천 기술을 확보하고자 노력하고 있다. 이 기술 개발에 성공하면 레이저 양성자 암치료기를 실증하는 장치 개발로 넘어갈 계획이다.

2. 레이저 유도 플라즈마 전자빔 가속

고출력 레이저가 플라즈마를 통과할 때 ponderomotive force에 의해 플라즈마파 (plasma wave)가 여기되고, 플 라즈마파 내에 포획되는 전자들은 플라즈마파 내의 종방

그림 2. 한국원자력연구원 WCI 센터의 레이저 유도 플라즈마 가속 실험실.

그림 1. 한국원자력연구원 WCI 센터의 30 TW Ti:Sapphire 레이저 장치의 개략도.

듯이 고주파 가속기의 가속 기울기의 약 천 배 이상이므 로, 고에너지 전자가속기를 초소형화 할 수 있는 가능성을 제시한다. 수 혹은 수십 μm의 플라즈마파에 의해 가속되 는 전자빔은 펄스 시간폭이 약 수십 펨토초일 뿐만 아니라 짧은 시간에 상대론적인 고에너지로 가속되기 때문에 매 우 낮은 에미턴스를 갖는다.

1990년대 혹은 이전의 레이저 가속 실험에서 발생된 전자빔의 에너지 스펙트럼은 매우 넓은 맥스웰 (Maxwell) 분포였기 때문에 실제 응용에 사용되기 어려 웠다. 하지만 2004년 좁은 에너지 분포를 갖는 전자빔 가속에 성공하면서 [4-6] 새로운 국면을 맞게 되었다.

이론적으로는 시뮬레이션 기술의 개발과 함께 좀 더 실 제에 가까운 예측을 할 수 있게 되었고, 실험적으로는 레 이저 출력의 증가와 플라즈마 타겟의 개발 등으로 1 GeV 이상의 전자빔 에너지를 얻는데 성공하였다. 동시에 기 존의 전자가속기의 역할을 대체할 수 있는 가능성을 실 증하기 위한 노력, 즉, 휨자석 혹은 교번자장기 (undulator)를 이용한 방사광 발생 [7,8], 레이저 컴프턴 산란을 이용한 펨토초 엑스선 발생, 감마선 발생 및 응용 등 다양한 방사광원 발생 연구도 진행되고 있다. 아직 풀 어야 할 문제는 많이 남아 있지만, 레이저 가속을 이용한 소형 엑스선 자유전자레이저의 실현과 같은 획기적이고 새로운 가능성에 대한 기대감도 여전히 높다.

본 센터에서도 30 TW 레이저 시스템을 이용하여 레 이저 가속 전자빔 기반의 초소형 감마선 발생과 초소형 저장링 방사선 발생 연구를 수행하고 있다. 이제까지 대 형의 가속기나 원자로에서 수행된 광핵반응과 저장링 방사광 기술을 레이저 전자가속 기술로 소형화하는 연 구이다. 광핵반응을 위한 초소형 감마선은 레이저 가속 된 전자빔으로 감마선을 발생하는 것으로 제동복사와 컴프턴 산란 방식이 있다. 초소형 저장링 방사광 발생 기술은 레이저 가속된 전자빔이 입사되는 저장링을 개 발하는 것으로 세계에서 최초로 시도되는 기술이며, 앞 으로 레이저 가속 전자빔 활용 기술 개발에 큰 영향을 줄 것으로 기대된다.

(EL: 레이저 전기장의 세기, ωL: 레이저 각주파수). 이때 빛의 속도 c 에 대한 전자의 진동 속도의 비에 해당하는 값인 normalized vector potential a0은 상대론적 효과 정도를 판단하는 척도가 된다.

레이저 진동 한 주기 동안 평균한 전자의 진동 에너지는

혹은

이다. 여기서 Up는 ponderomotive 에너지이고, 이 포텐 셜에 의한 힘을 ponderomotive 힘이라고 한다. 이 힘은 공간적으로 레이저 세기가 높은 곳에서 낮은 방향으로 작용하므로, 레이저 펄스의 바깥으로 전자를 밀어내면 서, 플라즈마파를 발생시키는 원동력이 된다. 고출력 펨 토초 레이저 펄스가 저밀도 플라즈마 공간을 진행할 때, 전자가 ponderomotive 힘에 의해 레이저 펄스 바깥쪽으 로 밀려나 이온과 분리되면서 플라즈마 내에서는 국부적 으로 전하 분리 현상이 일어난다. 레이저 펄스가 지나가 면 전자들은 공간전하 분포로 발생한 전기장이 당기는 복원력에 의해 플라즈마파가 발생한다. 이 때 플라즈마 파의 각주파수 ωp와 위상 속도 υp는 다음과 같다.

(3)

여기서 nc[cm^-3] = 1.1×10²¹/λL[μm]는 임계 밀도로, 기 체 타겟을 사용하는 경우에는 플라즈마의 전자 밀도 ne

보다 매우 큰 값을 가지게 된다. 저밀도의 플라즈마에서 빛의 속도에 근접하는 전자들이 파도타기를 하듯이 플라 즈마파와 같이 진행하면서 계속 가속된다 (그림 3).

전자가 플라즈마파에 의해 가속될 때, 가속되는 에너지 는 플라즈마파의 세기 혹은 가속 전기장과 가속 길이에 의 (2) (1)

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해 결정된다. 플라즈마파의 세기는 wave-breaking [9]에 의해 한계가 정해진다. 레이저의 세기를 강하게 할수록 플 라즈마파의 세기는 일정 수준까지는 강해지지만, 그 이상 에서는 비선형적인 원리에 의해, 높은 파도가 부서지듯이 플라즈마파가 더 이상 유지되지 않는다. 가속 길이는 플라 즈마파와 전자의 속도 차이에 의한 dephasing이 결정한다 [10]. 전자는 빠른 시간에 거의 빛의 속도에 도달하지만, 플 라즈마파는 식 (3)에서와 같이 이보다 낮은 속도로 진행한 다. 결국 두 속도의 차이에 의해 전자의 파도타기는 더 이 상 진행되지 않는다. 해석이 가능한 선형 영역에서 최대 가속 에너지는 Wmax = 4mec²nc/ne이다. 이상적인 경우, 800 nm 레이저 펄스를 전자 밀도 10¹⁹ cm^-3인 플라즈마에 입사하였을 때 전자빔은 약 2 mm 동안 가속되며 최대 400 MeV에 도달할 수 있다.

나. 레이저 전자 가속 연구 현황

2004년 세 그룹이 비슷한 시기에 에너지 선폭이 작은 전 자빔 가속에 성공한 이후, 많은 그룹에서 준 단색 전자빔 발생 실험 결과를 발표하였다. 이는 비선형 wave- breaking 영역, 즉, bubble 가속 영역 [11] 에서의 결과들이 다. 고출력 레이저 펄스가 플라즈마를 통과할 때, 비선형 적으로 여기된 플라즈마파에서 많은 양의 전자들이 바깥 쪽으로 밀려나면서 비누방울과 같은 모양의 전자 공동이 형성된다. 방사상으로 밀려난 전자들이 다시 공동으로 입 사되면서 가속되는데, 특정 위치에서 좁은 가속 위상으로 입사된 전자들은 거의 같은 가속장 세기로 가속되어 에너 지 선폭이 좁은 전자빔을 방출한다. 이러한 현상은 이론 및 시뮬레이션을 통해서 [12] 잘 설명되고 있다. 이러한 bubble 가속 조건이 만족되려면, 레이저 펄스의 공간 크기 가 플라즈마 파장 크기와 비슷해야 된다.

레이저 가속 전자빔을 실제로 사용하려면 아직도 풀어야

할 문제가 많이 남아 있다. 크게 고에너지 가속 기술과 전 자빔 품질 개선 기술로 나눌 수 있다.

GeV급 이상의 고에너지 전자빔을 얻기 위해서는 가속 장의 세기를 높이거나 가속 길이를 길게 하여 에너지 이 득을 높여야 한다. 레이저 세기를 높여 가속장의 세기를 높이는 것은 비선형적인 효과로 인해 한계가 있다. 가속 길이를 늘려 전자빔 에너지를 증가시키는 연구는 플라즈 마 채널을 사용하는 방식과 직사각형 형태의 기체 분사 노즐을 사용하는 방식으로 진행되고 있다. 전자는 가속 이 이루어지는 플라즈마 내에서 레이저가 퍼지지 않고 진행하도록, 미리 모세관 (capillary) 채널에서 방전으로 적합한 조건의 플라즈마를 생성하는 것이고, 후자는 플 라즈마 밀도 조건에 의한 레이저 펄스의 self-guiding 효과를 이용한다. 전자의 경우, 3 cm 길이 모세관 방전 플라즈마를 사용하여 1 GeV급 고에너지 전자빔 발생에 성공하였고 [13], 후자의 경우는 약 1 cm 길이의 기체 타 겟을 이용하여 1 GeV급 전자빔 가속에 성공하였다 [14].

근본적으로 전자빔 특성은 플라즈마 및 레이저 조건에 의존한다. 레이저의 경우는 이미 가장 우수한 기술을 적용 하고 있으며 추가적인 성능 개선은 시간이 필요하다. 플라 즈마의 경우에는 새로운 아이디어를 적용할 여지가 많은 편이다. 그 중 하나가, 두 개의 마주 진행하는 레이저 펄스 를 이용하여 플라즈마파에 전자 입사 조건을 조절하는 기 술이다. 하나의 레이저 펄스로 wave-breaking이 없는 플 라즈마파를 만들고, 반대 방향에서 입사시키는 두 번째 레 이저 펄스로 맥놀이 (beat wave) 시점을 조절하여 전자빔 이 입사되는 시간과 위치를 조절한다, 이론적으로는 1990 년대 중반부터 제안되었으나 2006년 이 후에야 실험적으 로 입증되었다 [15]. 기존의 자기 주입 (self-injection) 보 다 안정된 전자빔 발생 결과를 얻었다. 또 다른 방식은 플 라즈마 전자 밀도의 공간 변화 즉 공간에 따른 플라즈마 파 의 위상 속도를 변화시켜 주변의 많은 전자들을 좁은 가속 위상에 포획하는 것이다 [16]. 미국 로렌스버컬리국립연구 소 (LBNL)에서는 전자빔 발생과 고에너지 전자가속의 과 정을 분리한 2단계 가속 기술을 적용하여 안정적인 400 MeV 전자빔 가속에 성공하였다.

다. 원자력(연) 레이저 전자 가속 응용 연구

그림 3. 레이저 유도 플라즈마 전자빔 가속 기본 원리.

사진은 레이저 전자 가속 챔버로 빔경로 및 진단장치의 배 치를 나타낸다. 집속 조건에 따라 다소 차이는 있지만 출 력밀도가 약 10¹⁹ W/cm²인 레이저 펄스를 직경 1 mm인 헬 륨 기체 타겟에 입사하였을 때, 레이저빔 크기와 유사한 플라즈마 파장을 갖는 플라즈마 밀도 조건에서 bubble 가 속에 의한 준단색성 전자빔 발생이 관측되었고, 레이저빔 크기가 플라즈마 파장보다 큰 경우 넓은 에너지 대역을 가 지는 전자빔이 관측되었다. 최대 에너지가 45 MeV인 준단 색성의 전자빔은 발산각 (divergence angle)이 6 mrad이 고, 에너지 선폭이 약 20%이었다 (그림 5).

(1) 초소형 감마선 발생 기술 개발

레이저 유도 플라즈마 가속 전자빔을 이용하면 수 mm 이내의 매우 짧은 가속 구간으로 국소 차폐가 가능하므로

10~30 MeV 전자빔을 사용하여 연속 스펙트럼의 감마선 을 발생시키고, 후자는 150~250 MeV 전자빔과 고출력 레 이저를 산란시켜 준단색성의 감마선을 발생시킬 수 있다.

전자의 경우는 전자빔의 에너지 선폭에 크게 영향을 받지 않지만 타겟 두께에 따라 에너지 스펙트럼 분포가 차이가 나므로 샘플의 방사화 양이 달라진다. 후자의 경우는 감마 선의 에너지 및 에너지 분해능이 전자빔의 최대 에너지 및 에너지 선폭에 민감하게 영향을 받으므로 전자빔 품질 개 선을 위한 기술 개발 노력이 필요하다. 레이저 가속을 이 용한 감마선 발생의 또 하나의 장점은 펨토초 펄스폭이다.

총 발생량은 비교적 낮지만 순간 출력이 매우 높고 펄스 시 간폭이 짧은 고에너지 감마선은 즉발 및 지연 붕괴 반응 현 상을 유도하거나 계측할 수 있는 방사광원이다. 본 센터에 서는 일차적으로 레이저유도 제동복사 감마선에 의한 금 의 방사화를 실험적으로 실증하였다 (그림 6) [17]. 또한 서 로 다른 밀도로 구성된 물질, 즉, 금속 박스 내부에 방사성 물질이 있는 경우를 검색할 수 있는 새로운 분석 카메라 개 발 가능성을 제시하였다.

(2) 초소형 방사광 저장링 기술 개발

레이저 가속에 의한 전자빔은 전하량이 수백 pC이고, 펄스폭이 펨토초이며 또한 매우 낮은 에미턴스를 갖고 있다. 이를 저장링 혹은 입자 충돌기의 입사기 (injector) 로 활용하면 미지의 물리현상 분석이 가능한 새로운 도 구로 개발할 수 있다. 이를 구현하기 위해서 해결하여야

그림 5. 레이저 유도 플라즈마 가속 전자빔의 에너지 스펙트럼.

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하는 중요한 과제로는 전자빔 안정화와 함께 고진공 유 지를 들 수 있다. 레이저 가속 전자빔을 안정화하기 위한 노력은 레이저 가속 분야의 가장 큰 이슈 중의 하나로 실 제 가속기가 되기 위해서는 반드시 극복해야 한다. 저장 링에 입사하기 위해 요구되는 고진공 유지는 방사광의 수명 및 방사광원 품질에 직접적인 영향을 미친다. 기존 의 기체 분사를 사용할 경우에는 진공도가 급격히 나빠 지며, 특히 고반복율로 사용하고자 할 때는 더욱더 심각 하다. 본 센터에서는 이를 해결하는 방안으로 고체 타겟 을 사용하는 방안을 연구하고 있다. 두 개의 레이저를 이 용하여, 하나는 전자 가속에 적합한 플라즈마를 만들고, 다른 레이저는 가속에 이용하는 방법이다. 이 경우에는 진공 중에 방출되는 원자의 양을 기체 분사 방법보다 급 격히 적게 할 수 있을 것으로 기대된다. 이에 대한 연구 는 한국전기연구원과 공동으로 진행되고 있다.

레이저가속 입사기 일체형 저장링은 레이저 가속 전자빔 발생을 저장링 내에서 함으로써 입사 자석 (kicker) 없이 입사 및 저장이 동시에 가능하도록 하는 기술로 초소형화 가 가능하다. 저장링의 자기장 세기가 1 Tesla 일 때, 전자 빔 에너지에 따른 궤도 반경 및 방사광 에너지/파장, 전자 빔의 감쇠 시간 (damping time) 등을 고려하면 40-150

MeV 전자빔으로 1 μm의 적외선에서 80 nm 극자외선 영 역에 이르는 방사광 발생이 가능하다. 현재 실증을 위한 초소형 저장링을 설계 중이며 30 MeV 전자빔을 중심 에너 지로 하여 직경이 25 cm를 넘지 않도록 하였다 (그림 7).

3. 레이저 유도 플라즈마 이온빔 가속

21세기가 시작되는 첫 해, Physical Review Letter지 에 매우 인상적인 논문이 발표되었다. 미국의 국립연구 소인 Lawrence Livermore National Lab.에서 (LLNL) 첨두출력이 1 PW (1 PW = 10¹⁵ W)인 레이저펄스를 수 마이크로미터 두께의 플라스틱 타겟에 집속하여 (집속세 기: 3x10²⁰ W/cm²) 최대에너지가 약 60 MeV에 이르는 양성자빔이 발생되는 것을 관측한 것이다 (그림 8) [18].

이 때 사용한 장치는 그림 9 (a)와 유사한데 레이저빔 집 속 장치와 얇은 필름 타겟 고정 장치 그리고 계측 장치로 매우 간단하게 이루어져 있고, 실제 가속은 그림 9 (b)처 럼 타겟인 수 μm 두께의 필름에서 일어난다. 비록 기존

그림 7. 영구자석을 이용한 일체형 소형 저장링의 구조.

그림 8. 미국 LLNL에서 2000년도에 레이저 가속으로 획득한 양성자빔의 에너지 스펙트럼 [18].

그림 9. (a) KAERI의 레이저 유도 플라즈마 양성자빔 가속 장치 (b) 타겟에서의 레이저에 의한 가속 모형도.

발생된다는 것은 과학적인 측면에서도 매우 흥미롭지 만, 기존의 거대한 가속기 를 소형화할 수 있다는 기 대로 곧바로 많은 관심을

불러일으켰다. 하지만 LLNL에서 사용한 레이저는 에너 지가 400 J, 펄스폭이 500 fs인 대형 레이저로, 한 시간 에 작동시킬 수 있는 횟수가 수 번 밖에 되지 않는 다는, 실제 가속기로 사용하기에는 치명적인 단점이 있었다.

2003년 영국의 Glasgow 대학교에서는 펄스폭이 60 fs 이고 에너지는 0.2 J로 작으나 첨두출력이 3 TW인 Ti:Sapphire 레이저를 금속 필름에 집속하여 비록 최대 에너지는 0.95 MeV로 낮으나 여전히 양성자빔이 가속 될 수 있다는 것을 보여주었다 [19]. 금속 필름인 경우에 는 필름 표면에 불순물로 있는 수소화합물이 양성자원이 된다. 이러한 결과들이 발표되자 전 세계의 많은 과학자 들이 레이저에 의한 가속 원리에 대한 지적 호기심과 함 께 기존의 양성자 가속기를 소형할 수 있다는 가능성에 경쟁적으로 연구 개발에 뛰어들었다. 이러한 노력들로 Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) 등과 같 은 가속 이론 [20], 에너지폭이 좁은 이온빔 발생 [21] 등 을 실증할 수 있었다.

가. 새로운 암치료 장치

이온빔이 암치료에 탁월하다는 것은 이미 널리 알려져 있다. 세계적으로는 양성자빔 및 이온빔을 이용한 암치 료 장치 42대가 동작 중이며, 2012년 한 해 약 9만 명의 환자를 치료하였다 [Particle Therapy Co-Operative Group 자료]. 국내에서도 이미 일산의 국립암센터에서 양성자빔을 이용한 암치료를 하고 있으며, 이보다 성능 이 더 뛰어난 탄소이온을 이용한 암치료 장치도 경상남 도 기장에 도입 중에 있다. 이온빔은 다른 방사선인 X- 선이나 전자빔에 비해 신체 내부에 국소적으로 방사선을 조사하는데 뛰어나다. 이것은 이온빔이 다른 방사선원과

는 달리 에너지에 따라 특정 깊이에 에너지를 급격히 전 달하는 Bragg peak이라 불리는 성질을 갖고 있기 때문 이다. 이 특징은 인체 내에서 건강한 세포는 거의 손상을 주지 않으면서 암세포만 공격하는 것을 가능하게 한다.

하지만, 기존의 이온빔 암치료 장치는 높은 치료비용으 로 인해 많은 대중들이 혜택을 받는데 한계가 있다. 장치 의 고비용은 가속기 자체보다는 치료실에 설치되는 갠트 리에 의해 대부분 발생하는데, 고에너지의 이온빔 수송 과 방사선 차폐 등으로 육중해진 수 백 톤의 갠트리를 매 우 정밀하게 움직여야 하기 때문이다. 이에 반해 레이저 를 이용한 이온빔 가속에서는 이온빔이 발생되는 위치를 국소화할 수 있기 때문에, 훨씬 가벼워진 갠트리를 구성 할 수 있다 (그림 10) [22]. 즉 암치료에 탁월한 성능을 지닌 이온빔을 훨씬 낮은 비용으로 제공할 수 있다.

하지만, LLNL의 결과가 나온 지 10 년이 훨씬 지난 지금, 많은 성과에도 불구하고 아직 가야할 길 또한 멀 다. 특히 이온빔의 에너지를 획기적으로 올리는 기술을 개발하는 것이 가장 시급하다. 거대 레이저와 달리 Ti:Sapphire 레이저를 사용할 경우, 기본적인 가속 원 리는 동일하지만, 가속시간이 짧아지기 때문에 만족할

그림 11. 극초단 고출력 레이저의 세기에 따른 최대 양성자 에너지.

그림 10. 러시아의 Bulanov 박사가 제안한 레이저 가속 이온빔을 이용한 암치료 장치 [22].

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만한 에너지에 도달하지 못하고 있다. 최근에는 다양한 새로운 가속 원리들이 제시·실증되고 있다. 레이저빔 의 광압을 이용한 Radiation Pressure Acceleration (RPA) [23] 기술을 독일의 Marx-Born Inst. (MBI)에 서 실험적으로 관측하였고 [24], 광주과기원 (GIST)에 서는 PW급의 레이저를 이용하여 RPA와 TNSA가 복합 적으로 작용된 최대 40 MeV의 양성자빔을 발생하는데 성공하였다 [25]. 미국의 University of California Los Angeles에서는 파장이 긴 CO₂ 레이저와 기체 타겟으로 Collisionless Shock Acceleration 기술을 이용하여 에 너지폭이 매우 좁은 양성자빔을 발생하였다 [26]. 이러 한 상황에서 본 센터에서는 타겟의 특수한 구조를 이용 하여 이온빔의 에너지를 높임과 동시에 에너지 폭을 줄 일 수 있는 가속 기술을 개발 중에 있다. 그림 11에 레이 저의 세기에 따른 양성자빔의 에너지를 나타내었으며, 최근에 주목할 만한 성과는 따로 표시하였다.

나. 새로운 가속 메커니즘 개발

초 고 출 력 의 레 이 저 를 얇 은 필 름 에 집 속 하 면 pondermotive 힘 등에 의해 고에너지의 전자가 발생한 다. 이 전자들은 hot electron (열전자) 이라 불리며, 레 이저의 세기가 10¹⁸ W/cm²에 (혹은 식 (1)의 a>1) 달하면, 이 열전자들은 상대론적인 속도를 가진다. 이와 같이 빛 의 속도에 가까운 전자들을 품은 플라즈마를 상대론적 플라즈마라 부르며, 이온빔을 높은 에너지로 가속시킬 수 있는 조건에 도달하게 된다. 얇은 두께의 플라즈마에 서 열전자가 발생되면 타겟의 뒷면으로 수송되어 그림 12와 같이 플라즈마의 표면 (ion front)에 sheath field, Esh= Th/(eλDe)를 형성한다 [30]. Th는 열전자의 온도, λDe는 Debye 길이이다. 이처럼 플라즈마의 표면에 형성 되는 매우 강력한 정전기장에 의해서 타겟 필름의 표면 에 불순물로 있던 수소, 탄소, 산소 이온 등이 가속된다.

이 때 형성되는 정전기장은 높은 고체 밀도의 전하들이 공간적으로 불균일해지면서 발생하기 때문에 10¹³ V/m 이상의 매우 높은 값을 가지며, 짧은 가속 길이에도 불구 하고 높은 에너지의 이온빔이 발생된다. 이 정전기장이 주로 타겟면에 수직인 방향이여서 이온빔들 또한 주로 타겟의 수직인 방향으로 가속되므로 이러한 가속원리를 TNSA라 부른다 [20].

최근 주목받는 레이저의 광압을 이용하는 RPA 원리의 [23] 핵심은 수 십 나노미터 두께의 매우 얇은 필름에 강 력한 레이저를 집속하여, 광압으로 전자를 이온층에서 거 의 분리함으로써 매우 강력한 정전기장을 발생하는 것이 다 (그림 13). 특히 원형 편광된 레이저를 사용할 경우 이 온빔의 에너지가 레이저의 세기에 선형적으로 증가하며, 에너지폭 또한 좁힐 수 있다. 하지만, 레이저의 세기를 올 리면 레이저의 공간적인 불균일성과 매우 얇은 플라즈마 간의 상호작용에서 발생하는 instability로 인해 가속원리 가 제대로 작동하지 않는 문제가 있다. 이를 해결하는 것 이 암치료에 필요한 100 MeV 이상의 에너지에 도달하기 위한 큰 과제로 남아있다. 또 다른 어려움은 레이저의 선 행 펄스를 제거하는 것이다. Ti:Sapphire 레이저는 비교 적 높은 선행 펄스를 가지고 있다. 레이저의 주 펄스가 이 미 매우 높기 때문에, 선행펄스를 상대적으로 매우 낮추 더라도 플라즈마를 발생시킬 수 있는 10¹⁰ W/cm²를 넘어 서는 것은 그리 어렵지 않다. 최근에 많이 사용되는 plasma mirror는 [31] 선행 펄스를 주 펄스 대비 10^-10으 로 획기적으로 줄일 수 있다. 하지만 레이저의 세기가 10²¹ W/cm² 를 넘어서게 되면 새로운 기술이 요구된다.

그림 12. 열전자가 있는 플라즈마 에서의 밀도 및 정전기장 분포.

그림 13. RPA 모형에서의 이온, 전자 밀도 및 정전기장의 분포 [23].

데 주력하여 플라스틱 타겟에서의 가속을 설명할 수 있 는 Acceleration by Resistively Induced Electric field 모형을 개발하였으며 [34], 이를 기반으로 선행 펄스 효 과 연구와 이층구조 타겟을 고안하기도 하였다 [28,33].

최근에는 본 센터도 양성자빔의 에너지를 획기적으로 향 상시킬 수 있는 기술 개발에 초점을 맞추고 있다. TNSA 원리는 표면에서 발생된 정전기장만을 이용하므로 비효 율적인 측면이 있다. 또한 새롭게 각광을 받고 있는 RPA 기술은 수 십 나노미터의 매우 얇은 타겟을 사용하므로 레이저 선행 펄스에 대한 부담을 가지고 있다.

본 센터에서 개발 중인 것은 레이저 선행 펄스에 대한 영향이 미비하면서 타겟 전체에 형성된 정전기장을 활 용할 수 있는 구조의 타겟이다. 이번에 새롭게 제안하고 있는 타겟은 그림 14 (a)에서처럼 두 개의 얇은 필름이 진공층을 사이에 두고 배열된 것으로 Vacuum- Sandwiched Double Layer (VSDL) 라고 명명하였다 [29]. 이 타겟에서의 가속원리는 TNSA에서처럼 표면에 형성된 정전기장 뿐만 아니라 플라즈마 내부에 형성된 정전기장을 함께 활용한다는 점에서 많은 차이가 있다.

처음 레이저에 의해 열전자가 발생되면 타겟의 모든 경 계면에 강한 정전기장이 발생한다 (그림 14 (b)). 이 정 전기장은 양성자-Ⓐ와 양성자-Ⓑ를 서로 다른 방향으 로 가속시킨다. 양성자-Ⓑ는 기존의 TNSA에서와 마찬 가지로 가속된다. 반면 Layer I 방향으로 가속된 양성 자-Ⓐ는 Layer I의 경계에 형성된 반대방향의 정전기 장에 의해 다시 Layer II로 반사된다. 이를 위해서는 Layer I의 두께가 II 보다 두꺼워야 한다. 이러는 동안 전체 플라즈마는 하나로 합쳐지면서 플라즈마 전체에

채널을 가지고 있기 때문에 양성자-Ⓐ가 더 높은 에너 지로 가속될 수 있다.

본 센터에서 현재 가용한 레이저의 세기인 2×10¹⁹ W/

cm²에 대하여 버클리대학교의 XOOPIC코드를 [34] 사 용하여 2차원 Particle-In-Cell (PIC) 전산해석을 수행 하였다. 이 계산을 위해서 두 필름의 재질로 알루미늄을 사용하였으며, Layer I과 II의 두께는 각각 4.8 μm, 2 μm, 그리고 진공층의 두께는 0.4 μm로 하였다. 이 전 산해석을 통해 위에서 언급한 가속 원리가 여전히 작용 하는 것을 확인하였는데 그림 15에서 보는 바와 같이 최 대 에너지는 두 양성자 집단간에 차이가 별로 없지만, 양 성자-Ⓐ는 peak 에너지가 약 2.5배 증가하며, 선폭도 비교적 좁아지는 결과를 보여준다.

VSDL타겟의 또 다른 특징은 선행 펄스에 둔감하다 는 것이다. 레이저의 선행펄스를 Layer I에 집속되게 하여 Layer II를 유지하는 방식이다. VSDL 타겟은 PIC 전산해석을 통해 그 우수한 성능이 확인되었지만

그림 15. RPA 모형에서의 이온, 전자 밀도 및 정전기장의 분포 [23].

탁상위의 가속기, 레이저 플라즈마 가속기

특집 ■ World Class Institute(WCI)-한국원자력연구원 양자빔기반 방사선 연구센터

이를 실험으로 구현하는 데는 몇 가지 어려움이 있다.

현재는 반도체 공정과 진공층의 두께를 손쉽게 조절할 수 있는 기술을 새롭게 개발하여 다양한 타겟 조건에 대한 실험을 준비하고 있다.

라. 전망

레이저 가속된 양성자빔을 이용한 암치료 장치는 이 분 야에서 연구하는 모든 사람들이 궁극적으로 염원하는 바 이다. 아마도 이 기술은 과학적인 관측이 이루어짐과 동시 에 구체적인 활용 목표가 정해진 몇 안 되는 기술에 속할 것이다. 하지만, 처음 기대와는 달리, 지금까지의 연구 결 과는 이 일이 만만치 않음을 보여주고 있다. 이러한 이유 로 이 목적을 위해 일본의 JAEA 산하에 세워진 PMRC (Photo-Medical Research Center)는 구체적인 연구 로드 맵을 수정하기까지 하였다. 하지만, 궁극적인 목표가 달성 되었을 때 사회적으로 미치게 될 강력한 파장으로 인해 아 직도 많은 국가에서 연구개발 투자를 이어오고 있다. 최근 에는 유럽, 일본 등에서는 펄스폭이 짧은 양성자빔의 생물 학적 영향에 대한 연구를 체계적으로 하기 시작하였다. 이 는 미래에 대두될 새로운 암치료 장치에 대비하여 관련 기 술들을 미리 확보하려는 전략으로 보여진다. 기술의 혁신 은 언제나 그렇듯이 예측하기 어렵다. 하지만 이러한 상황 은 뒤늦게 연구를 시작한 우리에게는 오히려 기회로 작용 하고 있다. 누구든지 창의적이고 혁신적인 아이디어가 있 으면 도전할 수 있는 매력적인 상황이 된 것이다.

참고문헌

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박성희

이기태

•2011. 9. - 현재

한국원자력연구원 양자빔기반 방사선 연구센터 책임연구원

•2008. 3. - 현재

과학기술연합대학원대학교 겸임교수

•2001. 4. - 2011. 9

한국원자력연구원 양자빔기반 방사선 연구센터 선임연구원

•2000. 2 - 2001. 3 한국원자력연구원 박사후연구원

•1994. 8 - 2000. 1

듀크대학교, TUNL/DFEL Lab. 연구원

•1994. 9 듀크대학교 이학박사 (물리학)

•1992. 5 위스콘신대학교 이학석사 (물리학)

•1985. 2 서강대학교, 이학사 (물리학)

•2011. 1. - 현재

한국원자력연구원 양자빔기반 방사선 연구센터 책임연구원

•2008. 3. - 현재

과학기술연합대학원대학교 겸임교수

•2000. 12. - 2010. 12

한국원자력연구원 양자빔기반 방사선 연구센터 선임연구원

•2000. 3 - 2000. 12

포항공과대학교 기초과학연구소 연구원

•2000. 2. 포항공과대학교, 이학 박사 (플라즈마 물리학)

•1994. 2. 포항공과대학교, 이학 석사 (플라즈마 물리학)

•1992. 2. 포항공과대학교, 이학사 (물리학)